Hvordan kan vi løse strømnettets store arealutfordring?

Energibehovet i Norge øker kraftig. Ytterligere elektrifisering av transport og industri er avgjørende for å nå nasjonale og globale klimamål. I tillegg er det tydelig at energibehovet for å utnytte potensialet i kunstig intelligens kan bli svært omfattende.

Men økt elektrifisering krever økt kraftproduksjon og -overføringskapasitet, noe som er svært kostbart og arealkrevende. Dette utgjør en stor utfordring, for selv om landet vårt er stort, har vi ikke ubegrenset plass. Derfor er det viktig å minimere arealbruken for å sikre bærekraft og bevare naturmangfoldet. Men hvordan får vi det til?

Nye, ekstremt tynne, superledende kabler kan spille en viktig rolle i løsningen.

Hvorfor er kraftlinjer så store egentlig?

For å forklare hva som gjør superledende kabler så enestående, må vi først forstå hvordan dagens «vanlige» kraftlinjer og kabler fungerer, og hvilke begrensninger de har. En stor del av svaret ligger i Ohms lov, som de fleste av oss lærte på ungdomsskolen, og som ligger til grunn for hvordan kraftsystemet fungerer:

Ohms lov kan skrives på mange måter, men disse to er viktige for å forstå hvorfor kraftlinjer er så store.

Et av de sentrale målene i designet av kraftsystemet er å begrense overføringstapene – altså effekten som går tapt på veien fra kraftverk til kunde.

Den første formuleringen viser at for å oppnå høy effekt kan man altså ha høy spenning eller høy strøm – men vi ser av den nederste at med høyere strøm øker tapene som følge av den elektriske motstanden (R) betydelig. Kort fortalt; jo høyere strøm, jo mere tap.

Da ender vi opp med løsningen vi har i dag: å sørge for høyest mulig spenning og lavest mulig strøm når vi ønsker å overføre mest mulig effekt. Den høyeste spenningen som brukes i norske kraftlinjer er 420 000 V, imot 230 V i stikkontakten hjemme. Når spenningen er så høy, må man ha store fysiske avstander for å sikre at man ikke får overslag – et slags lynnedslag – til ting som er i nærheten. Resultatet er at de største kraftlinjene våre er minst 30 meter høye og traséene over 10 meter brede, noe som krever store arealer.

Likevel er overføringstapene som en tommelfingerregel opp mot 10 % i det norske strømnettet. Enkelt sagt betyr det at hvis du har en vindpark med ti vindmøller, vil strømmen som den tiende vindmølla produserer aldri nå forbruker. Det er fortsatt et betydelig potensialt for forbedring altså!

Så hvordan ville kraftnettet sett ut dersom vi kunne eliminere all elektrisk motstand og dermed også overføringstapene?

Hvordan superledende kabler kan være en del av løsningen

Alle materialer har elektrisk motstand i større eller mindre grad, også materialene i kablene som vi har i dag. Men det finnes et fenomen som kalles «superledning» hvor materialer mister all elektrisk motstand ved ekstremt lave temperaturer – i området 4 til 70 Kelvin eller omtrent minus 200-270 grader. Dette fenomenet har vært kjent i over 100 år og sikret oppdageren en Nobelpris i fysikk.

I tillegg til at tapene elimineres, vil superledende kabler kreve mye mindre plass – noe som ikke bare kan støtte bevaring av naturmangfoldet, men også bidra til å minimere arealinngrep i byer. Man vil kunne overføre samme effekt med høy strøm og lav spenning, noe som vil gi betydelig mindre dimensjoner på alt materiell.

Superledende kabler er ikke bare en visjon eller fantasi; de er en realitet som allerede er i ferd med å bli implementert. Det franske jernbaneselskapet SNCF har satt i gang et prosjekt med å installere superledende kabler for å øke kraftforsyningen ved Gare Montparnasse, en av de store togstasjonene i Paris. På den måten kan de gjenbruke eksisterende kulverter heller enn å grave opp ett av de mest trafikkerte områdene i byen for å skaffe plass til større kabler.

Som et eksempel fra Norge endte Statnett opp med å bore fullskala kjørbar tunnel fra Smestad til Ulven i Oslo for å legge to sett konvensjonelle kabler, til en kostnad på mellom tre og fire milliarder kroner. Dersom de kunne vært lagt som superledende kabel i kulvert langs Ring 3 vil det være mye å spare.

Hvorfor gjør vi ikke dette overalt allerede?!

Det finnes allerede noen pilotanlegg der superledende kabel benyttes, men når man lykkes med storskala kraftoverføring vil det være et teknologisk paradigmeskifte på flere måter.

Det er allerede mye arbeid i gang i Norge og Europa for å oppnå dette skiftet. Et eksempel er SCARLET, et EU-finansiert forskningsprosjekt, ledet av SINTEF Energi i Trondheim. SCARLET – som har 15 partnere (blant annet Nexans som har lagd filmen over) fra 7 ulike europeiske land – har som ambisjon å produsere de første superledende kablene med gigawatt overføringskapasitet med bruk av to forskjellige superledende materialer. Den ene kabelen skal også designes for å fungere som sjøkabel.

I tillegg til tradisjonell kjøling med flytende nitrogen, skal SCARLET se på mulighetene for å kjøle med flytende hydrogen. Hydrogen er noe man vil måtte transportere i rør i en dekarbonisert fremtid, og vil dermed kunne bidra til billigere kjøling til superledende kabler.

Prosjektet studerer også hvordan et kraftsystem som er basert på høy strøm, i stedet for høy spenning, kan driftes på en måte som er trygt for både systemet selv og omgivelsene. En superledende feilstrømsbegrenser er derfor under utvikling som et ledd i dette arbeidet.

Kraftforsyningen er en samfunnskritisk infrastruktur og risikoen for feil og avbrudd må være minst mulig. Dessuten må man vite at nye komponenter ikke innebærer en risiko for omgivelsene eller for personell som skal utføre vedlikehold. Dette innebærer grundig testing og kvalifisering av ny teknologi. Det finnes per i dagen ingen standarder for testing av superledende kabelsystemer, og SINTEF Energi skal derfor anbefale et testregime og gjennomføre tester på begge kablene.

SCARLET

Superconducting cables for sustainable energy transition

Les mer